如何選擇白光LED閃燈驅(qū)動(dòng)器

在手機(jī)市場(chǎng)中，將高像素的圖像處理器整合至手機(jī)當(dāng)中已差不多成為了標(biāo)準(zhǔn)配備方式。隨著這些圖像處理器的分辨率日益提高，業(yè)界亦提高對(duì)高亮度閃光燈的需求。氙氣閃光燈泡向來都是數(shù)字照相機(jī)的主要照明選擇，但對(duì)于移動(dòng)手機(jī)市場(chǎng)來說，在電路板上可供用來安置非電話功能組件的空間實(shí)在有限，以致體積較大的氙氣燈方案顯得不切實(shí)際。幸好手機(jī)制造商最近在高功率白光二極管上有重大的技術(shù)突破，現(xiàn)今白光LED閃燈二極管的制造商已經(jīng)推出了光輸出超過70流明的產(chǎn)品，并且可應(yīng)付超過或相當(dāng)于1A的脈沖電流。但這些技術(shù)突破也為設(shè)計(jì)人員帶來了很多有待解決的問題，包括有多少的電路板空間可以用？有什么與閃燈有關(guān)的功能需要增加？閃燈驅(qū)動(dòng)器可用多少功率？需要多少流明才能拍攝漂亮的照片？只要能解答上述問題，設(shè)計(jì)人員在選擇閃燈LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)便能更加得心應(yīng)手。

解決方案的尺寸

手機(jī)設(shè)計(jì)人員需要面對(duì)的第一個(gè)問題是，究竟有多少的電路板空間可讓照相機(jī)閃燈運(yùn)用？在LED閃燈驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域中，最普遍的兩種升壓技術(shù)是開關(guān)電容器升壓(電荷幫浦)和電感式升壓。在這兩種升壓拓樸中，開關(guān)電容器的方案一般比較細(xì)小，而大部份的開關(guān)電容器均由四個(gè)陶瓷電容器和兩個(gè)外部電阻器組成。針對(duì)這些應(yīng)用所建議的電容值為4.7μF，而電壓的額定值為10V(有助降低直流偏置損耗)。這些電容器采用0603外型尺寸，大部份的電容器制造商均能提供此類產(chǎn)品。采用開關(guān)電容器的閃燈驅(qū)動(dòng)器之整體方案尺寸一般約為25mm2。例如，采用芯片級(jí)封裝的美國國家半導(dǎo)體LM2758，其整體方案尺寸少于15mm2。此外，開關(guān)電容器解決方案還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是極為纖薄。一般視閃燈驅(qū)動(dòng)器的封裝方式，電容器通常都是整個(gè)方案中最高的組件。

電感式閃燈驅(qū)動(dòng)器的方案尺寸一般比開關(guān)電容驅(qū)動(dòng)器的為大，一個(gè)典型的電感式閃燈LED驅(qū)動(dòng)器方案大概占用35mm2～40mm2的電路板面積。電感驅(qū)動(dòng)器一般需要兩個(gè)電容器(輸入和輸出)，它們的平均電容值為10μF，外型尺寸為0805。電感式升壓需要具備整流的部份以處理峰值電感器電流和輸出電壓。在同步升壓拓樸中，閃燈集成電路通常整合有一個(gè)通路FET(典型為一個(gè)PFET)，而這種整合通常會(huì)使到集成電路的封裝尺寸比異步解決方案的更大。在異步拓樸中，通路部份是以蕭特基二極管(schottky diode)的形式實(shí)現(xiàn)。與采用開關(guān)電容器的升壓比較，電感式升壓所多占的空間主要來自電感器本身。對(duì)于那些閃燈電流接近1A的應(yīng)用，其所需的電感器一般為2.2μH～4.7μF，以及飽和電流必須大于1.5A。然而，這些電感器的尺寸一般都不會(huì)少于3mmX 3mm，并且通常都是整個(gè)解決方案中最高的組件，1.2mm也是很平常的高度。

功能特色

一旦決定了閃燈驅(qū)動(dòng)器的拓樸結(jié)構(gòu)，另一個(gè)要面對(duì)的問題是設(shè)計(jì)所需的功能特色。首先需考慮的功能特色是控制接口的類型。基本的閃燈驅(qū)動(dòng)器一般擁有兩根控制接腳，以執(zhí)行3～4種不同的操作模式（例如是關(guān)機(jī)、提示燈、手電筒和閃燈）。假如設(shè)計(jì)人員不需以動(dòng)態(tài)形式去調(diào)整亮度，這些簡(jiǎn)單的控制部件便足可應(yīng)付。相反地，如果系統(tǒng)要求比較高度的控制，大部份的閃燈電路都包含有某類的串行控制接口。其中一種最普遍的串行接口是內(nèi)置集成電路(Inter-Integrated Circuit interface, I2C)。I2C或I2C兼容接口不單可控制基本的開/關(guān)功能，而且還可讓用戶動(dòng)態(tài)地設(shè)定手電筒和閃燈的亮度。此外，假如設(shè)計(jì)包含有閃燈保險(xiǎn)計(jì)時(shí)、電感器電流限制或過壓保護(hù)級(jí)等功能的話，也可透過I2C接口進(jìn)行配置。另外，當(dāng)微控制器/微處理器的通用輸入/輸出(GPIO)線路不太足夠時(shí)，這些串行接口便顯得更為重要。

不少LED驅(qū)動(dòng)器包括美國國家半導(dǎo)體的LM3553都提供有額外的控制接腳，以進(jìn)一步協(xié)助設(shè)計(jì)人員解決系統(tǒng)層級(jí)的問題。今天的典型圖像處理器均擁有一根外部閃光燈(strobe/flash)接腳以提示系統(tǒng)正在拍攝照片。此一閃光燈信號(hào)可以透過閃燈啟動(dòng)(enable)接腳直接連系到多個(gè)LED閃燈驅(qū)動(dòng)器，這種圖像處理器與LED驅(qū)動(dòng)器之間的直接連接可以消除所有出現(xiàn)在兩個(gè)部件之間的延遲，這些延遲一般都是由控制器或軟件的限制所引致。

在系統(tǒng)層級(jí)問題方面，現(xiàn)今手機(jī)系統(tǒng)需要管理通話/數(shù)據(jù)傳輸期間從電池取用的電流量。在通話/數(shù)據(jù)傳輸過程中由Tx/Rx功率放大器取用的電流再加上由閃燈驅(qū)動(dòng)器所取用的電流，往往可超過電池所能提供的最大電流量。大部份的手機(jī)設(shè)計(jì)均可允許負(fù)載電池電壓下降至3.2V而不會(huì)進(jìn)入重設(shè)狀態(tài)(VBATT-LOADED = VBATT_UNLOADED (IBATT * RBATT_ESR))。為了防止由電池的ESR壓降所產(chǎn)生的重設(shè)，部份比較新的閃燈LED驅(qū)動(dòng)器添加有一根傳輸接腳(Tx)，能夠有助減少LED驅(qū)動(dòng)器于通話/數(shù)據(jù)傳輸期間所取用的電流。透過加入Tx接腳，閃燈驅(qū)動(dòng)器便可迫使二極管電流在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)(少于100μs)維持在較低的水平，以免手機(jī)在通話期間誤進(jìn)重設(shè)狀態(tài)。

效率

效率已經(jīng)是手機(jī)設(shè)計(jì)的老議題了，只要系統(tǒng)的效率愈高，用戶可用的通話時(shí)間便愈長。電感式升壓技術(shù)可促使驅(qū)動(dòng)器能在寬闊的輸入電壓和輸出電流范圍下發(fā)揮出最高的效率。相反地，開關(guān)電容器部件只局限于數(shù)個(gè)固定的量化增益(2x、1.5x、1x 通路模式)，以致在相同的輸入范圍下，其所能達(dá)到的平均轉(zhuǎn)換器效率比電感式升壓的較低。當(dāng)評(píng)估一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)，效率的意義會(huì)有點(diǎn)不同。

轉(zhuǎn)換器效率或是LED驅(qū)動(dòng)效率?
當(dāng)面對(duì)閃燈LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)，必須先考慮某些效率上的損耗才能計(jì)算出解決方案的真正效率。為了獲得一個(gè)受管制的閃燈或手電筒/短片拍攝燈光LED電流，升壓轉(zhuǎn)換器必須采用一個(gè)電流汲入/源(current sink/source)或一個(gè)嚴(yán)格控制的參考電壓，再連同一個(gè)電阻器去設(shè)立負(fù)載電流。然而，這兩種不同的方法都各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，必須注意由這兩個(gè)方法所帶來的功率損耗，都不會(huì)包括在升壓轉(zhuǎn)換器的效率計(jì)算中。然而，整體解決方案或LED的效率則把這些功率損耗考慮在內(nèi)。
算式1和算式2

首先要注意的是，即使是兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)換器均可擁有絕對(duì)相同的轉(zhuǎn)換器效率，而它們的LED驅(qū)動(dòng)效率也只有5%～10%的差別。換言之，假如兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率相等，只要某方由電流調(diào)整元素所引致的損耗較低，就是較有效率的轉(zhuǎn)換器。

LED驅(qū)動(dòng)效率或發(fā)光效率?

可是，單單LED驅(qū)動(dòng)效率并不能全面反映出整體的性能表現(xiàn)。例如假設(shè)面前有兩個(gè)不同的閃燈LED驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)不同的閃燈LED。第一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換器效率為85%，以及在1A電流下的LED電壓為4V，而另一個(gè)的轉(zhuǎn)換器效率和LED電壓(同樣在1A下)則分別為80%和3V。在一個(gè)給定的電流下，兩個(gè)LED所產(chǎn)生的光輸出量相同而且同時(shí)擁有350mV的回饋電壓。利用算式1并引用最差情況的輸入電壓或3.2V作計(jì)算，第一個(gè)驅(qū)動(dòng)器從電池取用1.6A的電流，而第二個(gè)驅(qū)動(dòng)器則只從電池取用1.3A的電流。撇開第一個(gè)閃燈驅(qū)動(dòng)器擁有較高的效率，它需要取用多300mA的電流才能產(chǎn)生出跟第二個(gè)閃燈驅(qū)動(dòng)器一樣的光輸出量。這個(gè)例子突顯了LED發(fā)光效率的影響。在產(chǎn)生光效率方面，例子2中的LED比起例子1中的高33%。

當(dāng)閃燈LED驅(qū)動(dòng)器正以連續(xù)影片拍攝或手電筒照明模式操作時(shí)，由于操作的時(shí)間可能比較長，因此轉(zhuǎn)換器的效率便顯得很重要，可是在一般的閃燈條件下，由于操作的時(shí)間只是瞬間，因此轉(zhuǎn)換器效率的重要性便降低。相反地，這里比較關(guān)注的效率，是能否在一個(gè)給定的輸入功率下給予閃燈驅(qū)動(dòng)器更大的輸出功率以產(chǎn)生亮度更強(qiáng)的閃光。高光效閃燈LED配合高效的閃燈驅(qū)動(dòng)器可盡量減少從電池取用的閃燈電流，以便手機(jī)設(shè)計(jì)人員能更靈活地為系統(tǒng)的其他部份進(jìn)行電源管理。